Os físicos quânticos contam com a detecção quântica como um método altamente atraente para acessar regiões espectrais e detectar fótons (pequenos pacotes de luz) que geralmente são tecnicamente desafiadores. Eles podem reunir informações de amostra na região espectral de interesse e transferir os detalhes por meio de correlações de bifótons para outra faixa espectral com detectores altamente sensíveis. O trabalho é especificamente benéfico para radiação terahertz sem detectores de semicondutores, onde os físicos devem usar esquemas de detecção coerentes ou bolômetros resfriados criogenicamente. Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência , Mirco Kutas e uma equipe de pesquisa nos departamentos de matemática e física industrial da Alemanha descreveram a primeira demonstração de sensoriamento quântico na faixa de frequência terahertz. Durante os experimentos, frequências terahertz interagiram com uma amostra no espaço livre e forneceram informações sobre a espessura da amostra, detectando os fótons visíveis. A equipe obteve medições de espessura de camada com fótons terahertz com base na interferência de bifótons. Uma vez que a capacidade de medir a espessura da camada de forma não destrutiva é de alta relevância industrial, Kutas et al. esperamos que esses experimentos sejam o primeiro passo em direção ao sensoriamento quântico industrial.

A detecção e geração de imagens quânticas são um esquema popular para medições infravermelhas usando um par de fótons visíveis e infravermelhos correlacionados. As equipes de pesquisa já haviam demonstrado o princípio geral de detecção quântica na faixa de frequência terahertz usando um interferômetro de cristal único na configuração de Young para medir a absorção de um cristal de niobato de lítio periodicamente polido (PPLN), dentro da faixa de frequência terahertz. No presente trabalho, Kutas et al. gerou fótons terahertz (mais ociosos) usando conversão paramétrica descendente espontânea (SPDC) usando fótons de bomba a 660 km para gerar fótons de sinal em um comprimento de onda de cerca de 661 nm - muito perto do comprimento de onda da bomba espectral. Para testar a viabilidade da detecção quântica à temperatura ambiente, a equipe primeiro analisou teoricamente o conceito de um interferômetro quântico de cristal único.

Em teoria, a configuração continha um feixe de bomba, que iluminou um cristal não linear para criar pares de sinal (es) e fótons intermediários (i). Kutas et al. basearam seu processo teórico em um estudo anterior. Nos experimentos SPDC usuais (conversão paramétrica descendente espontânea), os modos de entrada estão em um estado de vácuo. Contudo, no presente trabalho, a pequena energia dos fótons ociosos na faixa de terahertz recebeu contribuições substanciais de flutuações térmicas para estar em um estado térmico. Durante o experimento, a equipe esperava separar a bomba e os fótons de sinal dos fótons intermediários para interagir com o objeto, a fim de que a radiação resultante fosse refletida e acoplada de volta ao cristal. Eles ilustraram a interferência esperada resultante do modelo para concluir que um padrão de interferência poderia ser esperado na presença de fótons térmicos para conversão descendente (quando o sinal e os campos inativos têm uma frequência mais baixa do que a bomba), bem como para conversão ascendente .

A presente configuração experimental também foi baseada em uma configuração apresentada anteriormente - estendida a um interferômetro quântico de cristal único do tipo Michelson. Os cientistas usaram um laser de estado sólido de frequência dupla de 660 nm como fonte de bombeamento e acoplaram os fótons ao interferômetro usando grade de Bragg de volume (VBG). Para o meio não linear, eles selecionaram um cristal PPLN (niobato de lítio periodicamente polido) de 1 mm de comprimento com um período de polarização de 90 µm para gerar fótons visíveis (sinal) e fótons associados (ociosos) na faixa de frequência terahertz. Atrás do cristal, os pesquisadores colocaram um vidro revestido de óxido de índio e estanho para separar os fótons ociosos da bomba e os fótons de sinal. Eles então focalizaram diretamente a bomba e sinalizaram a radiação de volta para o cristal usando um espelho côncavo.

Já o índice de refração de niobato de lítio (LiNbO ₃ ) na faixa de frequência terahertz levou a um grande ângulo de espalhamento da radiação intermediária, eles colimavam essa radiação usando um espelho parabólico e refletiam a radiação intermediária em um espelho plano colocado em um estágio linear piezoelétrico. Depois de duas passagens pelo cristal, eles colimam a bomba e os feixes de sinal e filtram os fótons da bomba usando três VBGs que funcionam como filtros notch de banda estreita e altamente eficientes. A equipe usou uma câmera semicondutora de óxido de metal complementar científica não resfriada (sCMOS) como detector. Os fótons de sinal na configuração podem ser gerados por SPDC (conversão paramétrica descendente espontânea) ou pela conversão dos fótons térmicos na faixa de frequência terahertz. A intensidade do sinal dependeu linearmente da potência da bomba, permitindo que o experimento fosse executado na região de baixo ganho.

Os cientistas observaram a interferência dos fótons de sinal nas regiões de Stokes e anti-Stokes - correspondendo ao sinal de interferência simulado. As correspondentes transformadas rápidas de Fourier (FFTs) mostraram um pico durante ambas as instâncias em relação às condições de correspondência de fase. O ruído dos dados gravados resultou das flutuações do laser e do ruído da câmera. Para determinar se a interferência foi causada por fótons terahertz propagando-se ao longo do caminho livre, eles colocaram um vidro de óxido de estanho e índio entre o espelho parabólico e plano, que bloqueou a radiação terahertz, enquanto permite a transmissão de luz visível.

Para então demonstrar a detecção quântica de terahertz, Kutas et al. mediu a espessura de uma variedade de placas de politetrafluoroetileno (PTFE) - colocadas no caminho da polia com espessura máxima de 5 mm. Devido ao índice de refração do PTFE, o comprimento óptico do caminho mudou e eles observaram o envelope de interferência em diferentes estágios. Além da mudança, a visibilidade da interferência diminuiu na presença da placa de PTFE. A equipe detectou a espessura da placa estimando seu índice de refração usando um sistema padrão de espectroscopia no domínio do tempo (TDS). Com base no índice de refração e no deslocamento do sinal de interferência, eles calcularam a espessura da camada. Os resultados mostraram que a interferência quântica com fótons ociosos na faixa de frequência de terahertz permitiu aos físicos determinar a espessura da camada de amostras no caminho de terahertz via sensoriamento quântico.

Desta maneira, Mirco Kutas e colegas observaram interferência quântica na faixa de frequência terahertz com propagação de fótons terahertz no espaço livre, nas regiões de Stokes e anti-Stokes. Eles mostraram a capacidade de usar essa técnica para determinar a espessura de uma variedade de regiões de PTFE como aplicações de prova de conceito na faixa de frequência terahertz. Embora o tempo de medição e a resolução não possam ser comparados aos esquemas clássicos de medição de terahertz, o conceito apresentado aqui é um primeiro marco em direção à imagem quântica terahertz.

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